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Vorrichtung zur Kontrolle von Leiterplattenlayouts
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kontrolle von Leiterplattenlayouts,
die Leiterbahnen sowie Lötaugen für die Bestückung mit Bauteilen besitzen, insbesondere
zur Kontrolle von mit Hilfe einer CAD (Computer Aided Design) - Anlage konstruierten
Leiterplattenlayouts.
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Bei der Serienfertigung von elektrischen Geräten werden für die elektrischen
Schaltungen soweit wie möglich Leiterplatten verwendet. Damit kommt der Herstellung
von Leiterplatten eine erhebliche Bedeutung zu.
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Ausgangspunkt für die Erstellung einer Leiterplatte ist die bestimmungsgemäß
entwickelte Schaltung bzw.
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das Schaltbild und auf der Grundlage des Schaltbildes wird dann das
Leiterplattenlayout erstellt. Letzteres muß natürlich mit dem Schaltbild übereinstimmen,
d.h.
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die einzelnen Leiterbahnen sowie die Lötaugen für die benötigten Bauteile
müssen den Angaben des Schaltbildes exakt entsprechen.
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Für die Herstellung eines Leiterplattenlayouts an Hand des zugehörigen
Schaltbildes bedient man sich heute vielfach
schon der bekannten
allerdings teuren CAD-Anlagen, welche die mühevolle Arbeit der Erstellung des Leiterplattenlayouts
erheblich vereinfachen. Daher kann der hohe Kostenaufwand auch noch vertreten werden.
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Im Gegensatz zu den Kosten einer CAD-Anlage und zu der eleganten Lösung
der Konstruktion des Leiterplattenlayouts mit einer CAD-Anlage steht jedoch der
Nachteil, daß es bei rein interaktiv arbeitenden CAD-Anlagen an einer Überprüfung
des konstruierten Leiterplattenlayouts fehlt, und daß im Layout vorhadene Fehler
kaum kontrollierbar sind.
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Solche denkbaren Fehler können ihre Ursache in dem Schaltbild selbst
haben, also auf einen "Entwicklungsfehler" zurückführbar sein; es ist aber auch
möglich, daß bei der Bedienung der CAD-Anlage falsche Eingaben erfolgen.
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Eine naheliegende Kontrollmöglichkeit besteht natürlich darin, einen
manuellen bzw. optischen Vergleich des fertigen Leiterplattenlayouts mit dem als
Vorlage verwendeten Schaltbild durchzuführen. Allerdings ist ohne weiteres ersichtlich,
daß diesem Weg einer Kontrolle bei umfangreichen und komplizierten Schaltbildern
rasch Grenzen gesetzt sind.
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Es gibt automatisch oder halbautomatisch konstruierende CAD-Anlagen,
die als Voraussetzung für die Konstruktion die Eingabe des Schaltbildes bzw. einer
Liste der zu konstruierenden Verbindungen erfordern. Dieses Vorgehen sichert zwar
die Übereinstimmung zwischen Verbindungsliste und Leiterplattenlayout ab, Fehler
im Schaltbild (falsche und fehlende Verbindungen) werden jedoch nicht erkannt, Auswertungsfehler
bei der Erstellung der Verbindungsliste gehen als Fehler in das Leiterplattenlayout
ein. Die Anschaffungskosten einer solchen Anlage liegen wegen der Automatik-Funktionen
beim Doppelten der hier genannten interaktiven Anlagen bzw. noch darüber.
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Um auch die oben erwähnten Fehler auszuschalten, muß ein Logiksimulator
eingesetzt werden, der vor Beginn der Layoutkonstruktion das Schaltbild überprüft.
In Verbindung mit der automatischen CAD-Anlage steigen die Anschaffungskosten einer
solchen Anlage endgültig in Größenordnungen, die für kleine und mittlere Unternehmen
wirtschaftlich nicht tragbar sind.
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Wenn manberücksichtigt, daß das konstruierte Layout als Basis für
die Herstellung einer sehr großen Anzahl von Leiterplatten dient, ist eine Kontrolle
des Layouts natürlich von erheblicher Bedeutung.
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Dennoch gibt es zur Zeit keine preiswerte Möglichkeit, eine solche
Kontrolle unter Berücksichtigung wirtschaftlich vernünftiger Gesichtspunkte durchzuführen.
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Hier greift die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine
Vorrichtung zu schaffen, welche eine kostengünstige Möglichkeit zur Kontrolle eines
Leiterplattenlayouts auf vorhandene Fehler bietet.
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Dabei soll von der bereits vorliegenden fertigen Arbeitsunterlage
als Prüfvorlage ausgegangen werden, so daß auch Übertragungsfehler zwischen Schaltbild/Verbindungsliste
und Layout abgefangen werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist die im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannte
Vorrichtung gekennzeichnet durch
a) eine Eingabevorrichtung zur
Erfassung der Leiterplattenmerkmale des zu prüfenden Leiterplattenlayouts, b) einen
Wandler zur Umsetzung der Leiterplattenmerkmale in einen Datensatz c) eine nach
Art einer Bibliothek ausgebildete Speichervorrichtung mit einem dem zu kontrollierenden
Leiterplattenlayout zugeordneten Prüfdatensatz, und d) einen Vergleicher zum Vergleich
des Leiterplattenmerkmals-Datensatzes mit dem Prüfdatensatz der Speichervorrichtung.
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Die Erfindung fußt auf der gewonnenen Erkenntnis, daß ein beachtlicher
Teil der in der Praxis tatsächlich gemachten und auftretenden Fehler bei der Konstruktion
eines Leiterplattenlayouts mit Kriterien ermittelt werden können, die im Grunde
genommen rein graphischer Natur sind. Es wird also davon ausgegangen, eine graphische,
d.h. stromlose, als Plausibilitätskontrolle bezeichnete Kontrolle durchzuführen.
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Grundlage für die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ermöglichte
Kontrolle ist also die Graphik des Leiterplattenlayouts, also z.B. die Leiterbahnen,
denn es ist mit einfachen Mitteln möglich, Konstruktionsfehler, die rein graphischer
Natur sind, zu ermitteln. Hierzu wird eine Liste der verbotenen oder unüblichen
Graphikelemente benötigt, die es erlaubt, Fehler ohne Prüfung der elektronischen
Logik und der Schaltung selbst zu finden.
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Zur Verdeutlichung der der Erfindung zugrundliegenden Idee einer graphischen
Plausibilitätskontrolle sei beispielsweise angeführt, daß ein Fehler vorliegen muß,
wenn etwa zwei Ausgänge von verschiedenen Gattern nur gegenseitig verbunden sind.
Das Vorhandensein der erwähnten Verbindung von zwei Ausgängen läßt sich mit einfachen
technischen Mitteln - z.B. mit einem Scanner -feststellen.
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Für die technische Realisierung des der Erfindung zugrundeliegenden
Gedankens einer graphischen Plausibilitätskontrolle besitzt die neuartige Vorrichtung
eine Eingabevorrichtung für die Erfassung des konstruierten Leiterplattenlayouts,
und in einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann die Eingabevorrichtung
durch einen Scanner gebildet sein.
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Ein bedeutsames Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die
Speichervorrichtung, in welcher nach Art einer Bibliothek ein Prüfdatensatz gespeichert
ist, welcher beispielsweise Angaben über die verwendeten Bauteile im Sinne einer
Bauteiledatei enthält.
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Nach einer Umwandlung bzw. Verarbeitung der erfaßten oder eingegebenen
Daten kann in einem Vergleicher ein Vergleich der Prüfdaten mit den Daten des Leiterplattenlayouts
erfolgen, d.h., es findet praktisch eine Uberprüfung daraufhin statt, ob die Graphik
des Leiterplattenlayouts verbotene oder unübliche Graphikelemente aufweist, was
auf Fehler hindeuten würde.
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In besonders vorteilhafter Weise läßt sich die erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung
unter Verwendung einer an sich bekannten rein interaktiven CAD-Anlage realisieren,
welche für die Erstellung des Layouts schon benutzt wird.
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Die Eingabevorrichtung und auch der Wandler - also die Verarbeitung
der eingegebenen Daten - sind dann schon vorhanden, so daß lediglich noch die nach
Art einer Bibliothek ausgebildete Speichervorrichtung sowie der anschließende Vergleich
zusätzlich vorgesehen werden müssen.
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Diese zusätzlichen Merkmale können aber - im Vergleich zu den Kosten
der gesamten CAD-Anlage - mit geringen
Kostenmitteln geschaffen
werden, so daß die erfindungsgemäße Kontrollvorrichtung ohne weiteres bei sogenannten
"Low Cost-Anlagen für alle rein interaktiv arbeitenden Anlagen eingesetzt werden
kann, was ein erheblicher wirtschaftlicher Vorteil ist.
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Auf der Basis der erfindungsgemäßen Idee können mit der neuen Kontrollvorrichtung
zwar nur solche Fehler erkannt werden, die aufgrund der vorgegebenen graphischen
Bedingungen erfaßbar sind, während etwa logische Schaltungsfehler oder die Funktionsfähigkeit
der Schaltung selbst ungeprüft bleiben. Es ist allerdings von der Erkenntnis auszugehen,
daß die in der Praxis auftretenden Fehler eben in der überwiegenden Mehrzahl diejenigen
sind, welche mit der neuen Kontrollvorrichtung gefunden werden können, d.h., die
Erfindung schafft hier bereits einen wesentlichen Vorteil.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben und der Zeichnung zu entnehmen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Prinzip-Blockschaltbild
der Vorrichtung zur Kontrolle eines Leiterplattenlayouts, Fig. 2 ein etwas detaillierteres
Blockschaltbild der Kontrollvorrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 3 - 6 jeweils Schaltungsbeispiele
zur Erläuterung der graphischen Plausibilitätskontrolle, und Fig. 7 ein weiter detaillierteres
Blockschaltbild der Kontrollvorrichtung gemäß Fig. 2.
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Fig. 1 zeigt oben eine konstruierte Leiterplatte 10, wobei das Layout
hier schematisch durch einige Leiterbahnen 11 und Lötaugen 13 angedeutet ist. Mit
der im weiteren beschriebenen Kontrollvorrichtung soll das konstruierte Leiterplattenlayout
der Leiterplatte 10 überprüft werden.
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Die hierfür vorgesehene Kontrollvorrichtung umfaßt eine Eingabevorrichtung
12, einen Wandler 14, der mit einem Vergleicher 18 verbunden ist.
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Weiterhin umfaßt die Kontrollvorrichtung einen Speicher 16, der ebenfalls
in Verbindung mit dem Vergleicher 18 steht, und an letzteren schließt sich eine
Anzeigevorrichtung 20 an, um ermittelte Fehler darstellen oder ausdrucken zu können.
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In Fig. 2 ist zu erkennen, daß die Eingabevorrichtung 12 durch einen
Scanner 24 gebildet sein kann, welcher die Leiterplatte 10 oder das Bestückungsbild
22 abtastet, so daß die Zeichnungsangaben 30 gewonnen werden können.
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Es ist aber auch die Verwendung einer bei CAD-Anlagen üblichen Eingabetastatur
26 möglich, und alternativ können die Daten - wie durch die Bezugsziffer 28 angedeutet
-auch direkt aus einem Zeichnungsdatensatz einer CAD-Anlage übernommen werden.
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Der in Fig. 1 erwähnte Wandler 14 ist in dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
durch eine Verarbeitungsstufe 32 gebildet, in welcher eine nachfolgend unter Bezugnahme
auf Fig. 7 noch erläuterte Aufarbeitung der Daten stattfindet, die zu einer Plausibilitäts-Kontrolleinheit
34 gelangen.
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Ein wesentlicher Bestandteil der neuen Kontrollvorrichtung ist die
Speichervorrichtung 16, welche eine Potentialkennungsdatei
36,
eine Bauteiledatei 38 sowie einen Plausibilitätsspeicher 40 umfaßt.
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Es wurde voranstehend schon erwähnt, daß die Kontrolle des Leiterplattenlayouts
auf Kriterien beruht, die rein graphischer Natur sind, und die über eine Liste der
verbotenen oder unüblichen Graphikelemente ohne eine Prüfung der elektronischen
Logik selbst gefunden werden können. Ausgehend davon wird die nach Art einer Bibliothek
eingerichtete Speichervorrichtung 16 ausgestaltet, wobei verschiedene Vorbedingungen
zugrunde gelegt werden.
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Ein solcher Gesichtspunkt ist die mathematische Potentialkennung der
Leiterbahnen, und zwar ohne Auswirkung auf das in an sich bekannter Weise zu plottende
Layout. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß die Leiterbahnen nur mathematisch
erkennbare, im optischen Ergebnis aber unsichtbare Unterschiede in der Breite besitzen.
Diese Potentialkennung wird vorwiegend für die Stromversorgung verwendet.
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Beispielsweise können folgende Zuordnungen gewählt werden: z.B. -
15 V Leiterbahnenbreite 2,48 mm - 5 V Leiterbahnenbreite 2,49 mm
GND
Leiterbahnenbreite 2,50 mm + 5 V Leiterbahnenbreite 2,51 mm usw.
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Eine Prüfroutine sichert ab, daß im fertigen Konstruktionsergebnis
a) entsprechend gekennzeichnete Pins der Bauteile an das jeweilige Potential angeschlossen
sind, und daß b) keine unterschiedlichen Potentiale Verbindung miteinander haben,
da dies einen Kurzschluß bedeuten würde.
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Neben der Potentialkennungsdatei 36 ist die Bauteiledatei 38 von Bedeutung,
denn sie schafft die Möglichkeit, fest im Datensatz der Bauteile definierte Kriterien
zu überprüfen. Nachfolgend werden einige Beispiele angegeben: a) die feststehenden
Stromversorgungspins eines IC müssen mit einem feststehenden Potential (vgl. die
voranstehend erwähnten unterschiedlichen Leiterbahnbreiten) verbunden sein, b) ein
diskretes Bauteil muß an allen Pins Verbindung haben, c) IC's besitzen feststehende
Pins, die Verbindung haben müssen (Stromversorgung, Enabel, Takt, Direction
Control
usw.), d) IC's besitzen Pins, die unter Umständen Verbindung haben müssen (ist ein
Eingang eines Gatters angeschlossen, so müssen auch die anderen Eingänge und der
Ausgang angeschlossen sein; Gatter dürfen nur komplett offen bleiben).
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Schließlich ist noch auf den Plausibilitätsspeicher 40 zu verweisen,
in welchem logische Bedingungen abgespeichert sind, die eine logische Plausibilitätskontrolle
ermöglichen. Rein graphisch kann hier die Kontrolle beispielsweise auf Grund der
folgenden Überlegung erfolgen: Sind zwei Ausgänge von verschiedenen Gattern nur
gegenseitig verbunden, so muß ein Fehler vorliegen.
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Unter Hinzuziehung der Potentialkennung kann ferner beispielsweise
erkannt werden, ob ein gepolter Kondensator falsch angeschlossen ist.
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Die im Zusammenhang mit der Potentialkennungsdatei 36, der Bauteiledatei
38 und dem Plausibilitätsspeicher 40 beschriebenen und speicherbaren Listen sind
selbstverständlich nur beispielhaft zu verstehen und beliebig erweiterbar.
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Anhand der in Fig. 3 - 6 gezeigten graphischen Beispiele wird nachfolgend
zum besseren Verständnis der Erfindung die Arbeitsweise der Kontrollvorrichtung
und das ihr zugrunde liegende Prinzip erläutert. Fig. 3 zeigt eine IC-Belegung mit
den Pins 1 - 14, mit Gattern 50 und Leiterbahnen 52. Es können folgende Kontrollen
durchgeführt werden: Pin 1 - 3 komplett frei/angeschlossen ? Pin 4 - 6 komplett
frei/angeschlossen ? Pin 8 - 10 komplett frei/angeschlossen ? Pin 11 - 13 komplett
frei/angeschlossen ? Pin 7 Anschluß an Bahnbreite 2,50 ? Pin 14 Anschluß an Bahnbreite
2,51 ? Pin 1 - 6 und 8 - 13: mindestens 1 Gatter muß angeschlossen sein, sonst ist
der IC unnötig.
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In Fig. 4 ist die Verbindung zwischen dem Pin Nr. 9 des Gatters 54
und dem Pin Nr. 13 des Gatters 56 unzulässig, da eine weitere externe Leitung existiert.
Die Verbindung zwischen Pin Nr. 10 und 12 ist falsch. Fig. 5 zeigt als Bauteile
einen Widerstand 58, einen Kondensator 60 sowie eine Diode 62. In diesem Fall kann
die Kontrolle beide Seiten angeschlossen?" durchgeführt werden (gegebenenfalls,
wenn bei der Eingabe definiert: Anschluß an richtiges Potential?").
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Bei dem in Fig. 6 gezeigten Elektrolyt-Kondensator 64 lautet die Kontrolle:
Potentialgefälle richtig?".
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Zur weiteren Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des
ihrer Funktionsweise zugrunde liegenden Prinzips wird nachfolgend auf Fig. 7 Bezug
genommen, die eine weiter detaillierte Darstellung der Fig. 2 ist.
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Innerhalb der Verarbeitungsstufe 32 werden die ungeprüften Zeichnungsangaben
30 des zu prüfenden Leiterplattenlayouts aufgeteilt, um eine vorläufige Verbindungsliste
bzw. einen zu prüfenden Datensatz 42 zu erhalten.
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Für die Prüfung werden folgende Daten benötigt und in den Datensatz
42 übernommen: 1. Leiterbahnen: Alle Anfangs- und Endkoordinaten gerader Strecken;
die Breiten gerader Strecken des Leiterplattenlayouts, 2. Lötaugen: Koordinaten
aller vorhandenen Lötaugen; Größe der Lötaugen (gegebenenfalls ihre Durchmesser,
3. Bauteile: Typ, Einbaukoordinaten, Einbaurichtung.
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Die gemäß 1. und 2. erfaßten Daten werden sortiert und ausgewertet;
gesucht werden identische Koordinatenpaare aus unterschiedlichen Zeichnungseinheiten,
verteilt auf die verschiedenen Ebenen der Leiterplatte (z.B. Vorder-und Rückseite).
Durch Vergleich mit dem Bauteilespeicher 44 werden die Lötaugen unterteilt in 1.
Lötaugen mit Bohrungen für den Einbau von Bauteilen 2. Lötaugen mit reinen Durchmetallisierungs-Bohrungen.
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Auf diese Weise ergibt sich eine Liste der Leiterbahnzüge (entsprechend
offene oder geschlossene Polygone), sowie deren Verbindungen zu Lötaugen, und es
steht die vorläufige Verbindungsliste (42) für die Überprüfung zur Verfügung.
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Ein fester Bestandteil der neuen Kontrollvorrichtung ist eine Bibliothek
in Form des Bauteilespeichers 33 und 44, der hier zusätzliche Angaben über die eingesetzten
Leiterbahnbreiten und über die verwendeten Bauteile enthält. Bezüglich der Leiterbahnbreiten
ist voranstehend schon auf die Zuordnung zu entsprechenden Potentialen hingewiesen
worden, wobei steigende Potentiale auch steigende Leiterbahnbreiten
bedeuten.
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Geprüft werden nur Leiterbahnen der verschiedenen verwendeten Potentiale,
z.B. für die Stromversorgung. Nicht geprüft werden normalerweise Signal leitungen
(Breite O).
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Betreffend die Bauteile enthält der Bauteilespeicher 3 und 44 folgende
Merkmale: a) Größe des Bauteiles b) Größe, Anzahl und Lage der benötigten Bohrungen
(= Lötaugen), relativ zu einander und relativ zur Außenkontur des Bauteiles c) Bedeutung
der Lötaugen (innerhalb des Bauteiles) C1. Einzelkennung eigenständige Bedeutung
= z.B. Takt eines IC Enable eines IC C2. Doppelkennung (Bauteil) definiertes Potentialgefälle
nötig z.B. Stützkondensatoren Stromversorgung
C3. Gruppenkennung
1. Ordnung gemeinsame Bedeutung z.B. 1 Gatter eines IC 1 Schalter im Relais C4.
Gruppenkennung 2. Ordnung z.B. alle Gatter eines IC alle Schalter im Relais C5.
Gruppenkennung 3. Ordnung z.B. alle Anschlüsse eines Bauteiles Die Gesamtkennung
eines Bauteiles kann sich aus hirarchisch überlagerten Kennungen zusammensetzen.
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Auf der Basis der in der voranstehend beschriebenen Art gewonnenen
Daten in dem Datensatz 42 und der in der Speichervorrichtung (Potentialkennungsdatei
36, Bauteiledatei 38 und Plausibilitätsspeicher 40) vorhandenen Daten kann die der
Erfindung zugrunde liegende Plausibilitätskontrolle vorgenommen werden. Mit der
Kontrollvorrichtung können festgestellt werden: 1. Fehlende bzw. unlogische Verbindungen
2. Unlogische Verknüpfungen,
wobei als Verbindung der Anschluß
von Lötaugen und als Verknüpfung die Verbindung der definierten Bedeutung der Lötaugen
wie voranstehend beschrieben angesehen wird.
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Die ermittelten Fehler lassen sich gemäß Fig. 7 in der anhand von
Fig. 2 schon erwähnten Anzeigevorrichtung 20 als Fehlerprotokoll ausdrucken. Unter
Verwendung der ungeprüften Zeichnungsangaben 30 und des zu prüfenden Datensatzes
42 (vorläufige Verbindungsliste) kann in vorteilhafter Weise eine Fehlerberichtigung
48 vorgenommen werden, um eine endgültige Zeichnungsdatei 30' und eine endgültige
Verbindungsliste 42' zu erstellen.
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Die Anzeigevorrichtung 20 kann aufgrund der vorangegangenen Kontrolle
folgende Zustände als Fehler auswerfen: 1.) fehlende bzw. unlogische Verbindungen
a) Leiterbahnende ohne Lötauge b) Lötaugen mit Einzelkennung nicht angeschlossen
c) Lötaugengruppen 1. Ordnung nicht komplett frei/ angeschlossen
d)
Lötaugengruppen 2. Ordnung kein Anschluß e) Lötaugengruppen 3. Ordnung nicht / nicht
komplett angeschlossen f) Durchmetallisierungs-Bohrungen nur auf einer Leiterplattenebene
angeschlossen g) Unzulässige Verbindungen (z.B. Befestigungsbohrungen).
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2.) Unlogische Verknüpfungen a) Versclfteeeno Potentiale in einem
Leiterbahnzug vorhanden b) Falsches Potentialgefälle c) Potential mit Signalleitung
verbunden d) Gatter unlogisch verbunden (Eingang -Eingang ohne Abzweig).
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kontrolle eines Leiterplattenlayouts
beruht also ausschließlich auf einer graphischen und damit sozusagen stromlosen
Plausibilitätskontrolle,
und die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt
als wesentliche Bestandteile zur Durchführung des Verfahrens die Speichervorrichtung
16 mit der Potentialkennungsdatei 36, der Bauteiledatei 38 und dem Plausibilitätsspeicher
40.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, daß die fertige Arbeitsunterlage
geprüft wird, so daß auch Ubertragungsfehler zwischen Schaltbild/Verbindungsliste
und dem Layout abgefangen werden.
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Im übrigen ist die Erfindung mit besonderem Vorteil zur Ergänzung
einer interaktiven CAD-Anlage besonders geeignet. Zwar können Fehler nicht grundsätzlich
ausgeschlossen werden, jedoch läßt sich ein Großteil der typischen Fehler ermitteln,
ohne daß hierbei eine spezielle Eingabe des Schaltbildes und damit verbundene teure
Zusatzgeräte benötigt werden.
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